Effect of heat shock on graphitization of Donbass anthracite

Abstract

Purpose. The aim is to conduct experimental research into graphitization process of anthracites from the Donbass basin using shock heating, which is characteristic of furnaces with electrothermal fluidized bed. Methods. Graphitization was carried out in an electrothermal furnace at the heating rate of 1000 K/min and exposure time of 10 minutes. The temperature range of the studies was 1973-2873 K. The structure of the material was studied by X-ray diffraction and the electrical conductivity of the coal particles layer was determined using a CamScan 4DV scanning electron microscope with Link760 attachment. The changes in ash and sulfur content were determined. Findings. It was found that with an increase in the processing temperature, the interlayer distance d002 decreased from 0.350 to 0.341 nm, the ash content decreased from 3.46 to 0.4%, and the relative electrical conductivity increased by 4 times. The absolute value of anthracite graphitization degree significantly differed from the values characteristic of artificial graphite. This may be due to insufficient exposure at the studied temperatures, as well as the production of a porous, insufficiently densified coal structure during high-speed heating to 1573 K. Originality. The principal possibility of obtaining graphitized anthracite using shock heating in furnaces with electrothermal fluidized bed and the possibility of assessing anthracite graphitization degree by the value of the relative conductivity of coal particles layer are shown. Practical implications. The practical implementation of the new technology is possible after determining the optimal parameters for graphitization of anthracites, which provide a deep structural adjustment characteristic of artificial graphites. First of all, this concerns the preliminary heating of anthracite to the temperature of 1273-1373 K, as well as choosing the temperature and exposure during graphitization. Determination of these parameters will allow to evaluate the technical and economic indicators of the new technology and to adjust the design parameters of furnaces with electrothermal fluidized bed.

Мета. Експериментальне дослідження процесу графітизації антрацитів Донбаського басейну при використанні шокового нагріву, характерного для печей з електротермічним киплячим шаром. Методика. Графітизація проводилася в електротермічній печі при швидкості нагріву 1000 К/хв та часі витримки 10 хвилин. Температурний діапазон досліджень 1973-2873 К. Дослідження структури матеріалу проводилося методом рентгенографічного аналізу та визначення електропровідності шару частинок вугілля, із використанням скануючого електронного мікроскопа CamScan 4DV з приставкою Link760. Визначено зміни зольності й вмісту сірки. Результати. Встановлено, що зі збільшенням температури обробки міжшарова відстань d002 зменшилася з 0.350 до 0.341 нм, зольність зменшилася з 3.46 до 0.40%, відносна електропровідність зросла в 4 рази. Абсолютне значення ступеня графітації антрацита значно відрізнялося від значень, характерних для штучного графіту. Однак абсолютне значення ступеня графітації антрациту значно відрізнялося від значень, характерних для штучного графіту. Це може бути пов’язано з недостатньою витримкою при досліджених температурах, а також отриманням пористої, недостатньо ущільненої структури вугілля при швидкісному нагріванні до 1573 К. Наукова новизна. Показані принципова можливість отримання графітізованого антрациту з використанням шокового нагріву в печах з електротермічним киплячим шаром і можливість оцінки ступеня графітації антрацитів за величиною відносної питомої електропровідності шару частинок вугілля. Практична значимість. Практична реалізація нової технології можлива після визначення оптимальних параметрів графітизації антрацитів, що забезпечують глибоку перебудову структури, характерну для штучних графітів. В першу чергу це стосується попереднього випалу антрациту до температури 1273-1373 К, а також вибору температури і витримки при графітації. Визначення цих параметрів дозволить оцінити техніко-економічні показники нової технології та скорегувати конструктивні параметри печей з електротермічним киплячим шаром.

Цель. Экспериментальное исследование процесса графитизации антрацитов Донбасского бассейна при использовании шокового нагрева, характерного для печей с электротермическим кипящим слоем. Методика. Графитизация проводилась в электротермической печи при скорости нагрева 1000 К/мин и времени выдержки 10 минут. Температурный диапазон исследований 1973-2873 К. Исследование структуры материала проводилось методом рентгенографического анализа и определения электропроводности слоя частиц угля, с использованием сканирующего электронного микроскопа CamScan 4DV с приставкой Link760. Определены изменения зольности и содержания серы. Результаты. Установлено, что с увеличением температуры обработки межслоевое расстояние d002 уменьшилось с 0.350 до 0.341 нм, зольность уменьшилась с 3.46 до 0.40%, относительная электропроводность выросла в 4 раза. Абсолютное значение степени графитации антрацита значительно отличалось от значений, характерных для искусственного графита. Однако абсолютное значение степени графитации антрацита значительно отличалось от значений, характерных для искусственного графита. Это может быть связано с недостаточной выдержкой при исследованных температурах, а также получением пористой, недостаточно уплотненной структуры угля при скоростном нагреве до 1573 К. Научная новизна. Показан принципиальная возможность получения графитизированного антрацита с использованием шокового нагрева в печах с электротермическим кипящим слоем и возможность оценки степени графитации антрацитов по величине относительной удельной электропроводности слоя частиц угля. Практическая значимость. Практическая реализация новой технологии возможна после определения оптимальных параметров графитизации антрацитов, обеспечивающих глубокую перестройку структуры, характерную для искусственных графитов. В первую очередь это касается предварительного обжига антрацита до температуры 1273-1373 К, а также выбора температуры и выдержки при графитации. Определение этих параметров позволит оценить технико-экономические показатели новой технологии и скорректировать конструктивные параметры печей с электротермическим кипящим слоем.